肺部腫瘤大分割放療伽瑪?shù)?、IMRT和VMAT計劃劑量學(xué)分析

呂海鵬，劉曉，康靜波，趙煥升，王凱，胡范祥，李翊

1. 中國人民解放軍海軍第九七一醫(yī)院 放療科，山東 青島 266000；2. 中國人民解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學(xué)中心 放療科，北京 100048

引言

肺部腫瘤是體部立體定向放射治療（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）的重要適應(yīng)癥，對于早期非小細(xì)胞肺癌（Non-small Cell Lung Cancer，NSCLC）因高齡或合并嚴(yán)重內(nèi)科疾病無法手術(shù)或拒絕手術(shù)的患者，SBRT已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的治療方案，甚至可以與手術(shù)相媲美[1-2]。而對于原發(fā)于其他部位的肺轉(zhuǎn)移瘤，SBRT也是除靶向治療、射頻消融等之外的重要的治療手段[3]。眾所周知SBRT有多種實現(xiàn)方式，主要是基于伽瑪?shù)逗彤a(chǎn)生高能X線的直線加速器（Linear Accelerator，LA）等。伽瑪?shù)兜闹饕攸c(diǎn)是靶區(qū)內(nèi)劑量極不均勻，等劑量曲線分布梯度高，適合較小且形態(tài)規(guī)則的腫瘤；而基于LA的固定野調(diào)強(qiáng)放療（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）和容積調(diào)強(qiáng)（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）治療計劃最大的特點(diǎn)是可以根據(jù)處方劑量的要求對靶區(qū)進(jìn)行劑量雕刻，對所有的靶區(qū)形態(tài)都能達(dá)到滿意的劑量分布且快速高效。近年來很多學(xué)者報道了肺部腫瘤采用IMRT和VMAT實現(xiàn)SBRT的劑量學(xué)對比研究[4-5]，但是二者與國產(chǎn)伽瑪?shù)吨g的劑量學(xué)差異鮮有報道。本研究通過對比20例患者在伽瑪?shù)丁MRT和VMAT治療計劃的劑量學(xué)差異，為臨床肺部腫瘤的SBRT治療提供一定的參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 一般臨床資料

選取2018年至2020年在本院接受放療的肺轉(zhuǎn)移瘤患者20例。其中，男性16例，女性4例；年齡41～82歲，中位年齡62歲；雙側(cè)肺轉(zhuǎn)移4例，單側(cè)肺轉(zhuǎn)移16例；轉(zhuǎn)移瘤個數(shù)1～4個，直徑1.1～7.45 cm，詳見表1。

表1 20例患者的臨床資料

1.2 設(shè)備情況

IMRT計劃采用美國VARIAN公司Eclipse 13.5計劃系統(tǒng)、VARIAN 21EX直線加速器，120片多葉光柵，6 MV X射線。VMAT計劃采用VARIAN Eclipse 13.5計劃系統(tǒng)、VARIAN Trilogy 直線加速器，120片多葉光柵，6 MV X射線。伽瑪?shù)队媱澆捎脟a(chǎn)海博伽瑪?shù)禨GS-Ⅰ型伽瑪?shù)队媱澫到y(tǒng)，配備1.5、2.5、4.0和5.5 cm 四組準(zhǔn)直器，60Co衰變產(chǎn)生的γ射線的等效能量是1.25 MV。

1.3 體位固定及CT掃描

所有患者均采用仰臥位，負(fù)壓真空袋固定，雙手自然上舉，經(jīng)呼吸訓(xùn)練后，平靜呼吸下采用CT（日本東芝Aquilion One）對吸氣、呼氣、平靜多呼吸時相螺旋掃描，掃描層厚3 mm；掃描范圍上起下頜骨下緣，下至第2腰椎下部，包括頸部、胸部。

1.4 實驗計劃設(shè)計

將每位患者的CT掃描圖像分別導(dǎo)入伽瑪?shù)?、Eclipse計劃系統(tǒng)中，根據(jù)多呼吸時相CT圖像勾畫GTV，然后融合成代表呼吸動度的ITV，PTV由ITV外放而成，均勻外放5～7 mm。伽瑪?shù)队媱澆捎梅枪裁娑嗷《芜M(jìn)行治療；IMRT治療計劃為7野等中心照射計劃；VMAT計劃采用單弧或雙弧方案。伽瑪?shù)吨委熡媱澨幏揭?0%～55%等劑量線包繞95%靶區(qū)體積，加速器治療計劃處方要求100%劑量線包繞95%靶區(qū)體積。每一例患者的治療計劃采用相同的等效生物劑量60～62.4 Gy，三者均采用大分割方式。

1.5 計劃評價參數(shù)

1.5.1 計劃靶區(qū)的評價參數(shù)

（1）以平均劑量、最大劑量、適形指數(shù)（Conformity Index，CI）評價靶區(qū)與參考等劑量曲面的適形程度，公式為CI=VPTV-REF/VPTV×VPTV-REF/VREF。式中VPTV為靶區(qū)體積，VPTV-REF為參考等劑量線面所包繞的靶區(qū)體積，VREF為參考等劑量面所包繞的所有區(qū)域體積。CI值在0～1之間，適形度越高，越接近1。本研究參考國際輻射學(xué)單位委員會第62號報告采用95%處方劑量曲面。

（2）以均勻性指數(shù)（Homogeneity Index，HI）評價PTV內(nèi)劑量分布的均勻性，公式為HI=D5%/D95%。式中D5%和D95%分別為5%和95%PTV所受到的照射劑量，HI越大說明超過處方劑量越大，PTV內(nèi)劑量分布也越不均勻。

1.5.2 危及器官評價參數(shù)

肺組織的 V5、V10、V15、V20、V25、V30、平均劑量Dmean；心臟的V20、V30、V40、平均劑量Dmean；脊髓的最大劑量 Dmax，食管的 Dmax、Dmean。

1.5.3 統(tǒng)計方法

采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，若滿足正態(tài)分布和方差齊性應(yīng)用成組t檢驗，否則采用非參數(shù)秩和檢驗。P＜0.05為差異有統(tǒng)計意義。

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)及危及器官勾畫體積

伽瑪?shù)逗图铀倨鞣謩e采用不同的治療計劃系統(tǒng)，兩系統(tǒng)所勾畫的靶區(qū)和危及器官范圍是一致的，P＜0.001，詳見表2。

表2 20例轉(zhuǎn)移性肺癌靶區(qū)及危及器官體積（mL）

2.2 危及器官受照情況

伽瑪?shù)杜c IMRT的全肺 V5、V10、V15、V20、V25、V30差異很大（P＜0.001），伽瑪?shù)杜c VMAT的全肺V5、V10、V15、V20、V25、V30同樣有很大的差異（P＜0.001），IMRT比 VMAT 的 全 肺 V10、V15?。≒＜0.05）， 而 V25、V30則VMAT略低于IMRT（P＞0.05）。對于全肺平均劑量Dmean，伽瑪?shù)杜cIMRT無明顯差異（P=0.106），但伽瑪?shù)侗萔MAT略低（P=0.025）；IMRT與VMAT基本一致?；紓?cè)肺 V5、V10、V15、V20、V25、V30三種治療方式與全肺得到的結(jié)果基本一致，唯一的區(qū)別在于伽瑪?shù)杜cIMRT的V5沒有統(tǒng)計學(xué)差異（P=0.103），盡管從數(shù)值上來看伽瑪?shù)堵缘?。三種治療方式的患肺平均劑量Dmean則基本相同（P＞0.05）。采用伽瑪?shù)吨委煟呐KV20、V30、V40整體好于基于加速器的IMRT和VMAT，除了與VMAT相比V40差異較?。≒=0.086）外，其他指標(biāo)均有明顯差異（P＜0.05）。伽瑪?shù)镀骄鶆┝緿mean低于IMRT（P=0.007），其他各組無明顯差別（P＞0.05）。伽瑪?shù)吨委煹募顾枳畲髣┝烤黠@低于IMRT和VMAT（P值分別為0.003、0.046），而IMRT和VMAT則相差不大（P=0.411）。伽瑪?shù)?、IMRT和VMAT三者的食管Dmean依次增高（P＜0.05）；最大劑量Dmax伽瑪?shù)睹黠@低于VMAT（P=0.029），而伽瑪?shù)杜cIMRT以及IMRT與VMAT則沒有明顯差別（P＞0.05），詳見表3。

表3 20例轉(zhuǎn)移性肺癌患者危及器官劑量參數(shù)統(tǒng)計

2.3 靶區(qū)受照情況

IMRT的CI好于伽瑪?shù)逗蚔MAT（P＜0.05），而伽瑪?shù)逗蚔MAT則無明顯差別（P=0.866）。伽瑪?shù)兜腍I明顯高于IMRT和VMAT（P＜0.05），VMAT略高于IMRT（P=0.008）。采用伽瑪?shù)吨委煹陌袇^(qū)Dmax和Dmean明顯高于IMRT和VMAT（P＜0.05），VMAT 則略高于 IMRT（P＜0.05），詳見表4。

表4 20例轉(zhuǎn)移性肺癌靶區(qū)參數(shù)

遠(yuǎn)離胸膜的靶區(qū)，由于計劃系統(tǒng)充分考慮到側(cè)向電子失衡的問題，VMAT的適形度最差。

3 討論

目前手術(shù)切除仍是Ⅰ期NSCLC的標(biāo)準(zhǔn)治療[6-7]，然而高齡及伴隨嚴(yán)重心肺合并癥及不可手術(shù)病例逐漸增加。包括2013年美國放射治療腫瘤學(xué)協(xié)作組（Radiation Therapy Oncology Group，RTOG） 0618研究在內(nèi)的多項研究顯示，SBRT治療一期肺癌局部控制（Local Control，LC）和總生存期（Overall Survival，OS）都得到了很大的改善[8]，SBRT治療肺部腫瘤的安全性也得到了廣泛認(rèn)可，死亡原因多為治療前的其他合并癥[9]。對于肺內(nèi)孤立轉(zhuǎn)移瘤，在全身治療的基礎(chǔ)上給予SBRT治療已逐漸被接受，Baschnagel等[10]對32個肺轉(zhuǎn)移瘤行4～10×6 Gy放療，中位隨訪時間為27.6個月，1、2、3年LC和OS分別為97%、83%、76%和92%、85%、63%，中位OS為40個月，未觀察到≥4級不良反應(yīng)。董百強(qiáng)等[11]研究的基于加速器的82例肺繼發(fā)孤立病灶SBRT取得了較好的療效，初步證明SBRT治療晚期肺寡轉(zhuǎn)移灶安全有效。

作為SBRT的實現(xiàn)方式，無論是伽瑪?shù)哆€是基于LA的其他SBRT方式，近年來都有不錯療效的報道[11-12]。而對于國產(chǎn)伽瑪?shù)逗突贚A的SBRT方式在劑量學(xué)方面的差異國內(nèi)報道較少。各種品牌的國產(chǎn)伽瑪?shù)稕]有統(tǒng)一的劑量學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，使用放射源的總活度、放射源的顆數(shù)、各廠家放射源的運(yùn)轉(zhuǎn)方式也各不相同[13]。雖然有以上差別，但是伽瑪?shù)栋袇^(qū)外較快的劑量跌落以及靶區(qū)劑量極度不均勻是所有伽瑪?shù)豆灿械奶匦?。靶區(qū)外劑量快速跌落是伽瑪?shù)兜闹饕獌?yōu)勢之一，本研究顯示無論是患側(cè)肺還是全肺的伽瑪?shù)栋袇^(qū)外正常肺組織的劑量-體積指標(biāo)（V5、V10、V15、V20、V25、V30），都明顯低于 IMRT 和 VMAT。其中V5、V20的降低可以更大程度上的避免放射性肺炎的發(fā)生幾率[14]。對于食管、脊髓心臟等危及器官的保護(hù)也優(yōu)于基于LA的SBRT，這些數(shù)據(jù)可以說明伽瑪?shù)吨委煹亩靖弊饔酶?。吳齊兵等[15]報道的陀螺刀與VMAT劑量學(xué)對比研究的結(jié)果與本研究基本一致，但患側(cè)肺的劑量-體積指標(biāo)不同，陀螺刀患肺劑量-體積指標(biāo)高于VMAT，分析其原因可能是陀螺刀的放射源排列方式與海博產(chǎn)SGS-Ⅰ型伽瑪?shù)恫煌?，海博產(chǎn)SGS-Ⅰ型伽瑪?shù)对磁帕行D(zhuǎn)方式使其聚焦性更強(qiáng)。靶區(qū)劑量極度不均勻是伽瑪?shù)兜牧硪惶攸c(diǎn)，在本研究中體現(xiàn)在靶區(qū)HI、Dmax和Dmean明顯高于IMRT和VMAT。對于肺內(nèi)實體腫瘤，腫瘤個體較大或生長迅速導(dǎo)致其內(nèi)部血供差，部分腫瘤乏氧，伽瑪?shù)栋袇^(qū)劑量分布高、不均勻性使乏氧組織得到更高劑量，從而增加其放射敏感性，提高LC[16]。而對于某些空腔靶區(qū)或其內(nèi)部有重要器官，如被腫瘤包繞的神經(jīng)，基于LA的SBRT更加均勻的靶區(qū)劑量則使治療更加安全有效。

本研究靶區(qū)主要以小的類圓形靶區(qū)為主，在靠近胸壁或肺門的病變，VMAT的靶區(qū)CI能保持在正常水平。而在肺野中間的靶區(qū)，尤其是小腫瘤的CI最差（圖1）。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是加速器計劃系統(tǒng)采用了更先進(jìn)的類似蒙特卡羅（Monte Carlo，MC）算法的AcurosXB算法，這種算法能夠充分考慮到側(cè)向電子失衡現(xiàn)象，尤其是胸腔這種空氣密度與軟組織密度頻繁更替的結(jié)構(gòu)[17]。對于肺內(nèi)腫瘤，為了盡量避免側(cè)向電子失衡的問題，RTOG早在第91-05號協(xié)議推薦使用射線能量的范圍是4～12 MV。有研究報道，當(dāng)所使用的計劃系統(tǒng)不能提供側(cè)向電子失衡修正的算法時應(yīng)選擇較低的6 MV[18]。而另一項研究則表明，基于MC算法，相對于4、6和8 MV的X線，更低能量的60Co射線其劑量分布受氣腔的影響更小[19]。這樣看來，對于肺內(nèi)小腫瘤國產(chǎn)伽瑪?shù)断啾扔诩铀倨鞲袃?yōu)勢。

圖1 肺野內(nèi)腫瘤伽瑪?shù)?、IMRT和VMAT劑量分布情況

本研究發(fā)現(xiàn)部分伽瑪?shù)度纹骄鶆┝扛哂诨贚A的兩種SBRT，主要因為靶區(qū)形態(tài)不規(guī)則，伽瑪?shù)队媱澬枰鄠€靶點(diǎn)拼湊從而達(dá)到更好的CI，從而導(dǎo)致全肺平均劑量抬高，也導(dǎo)致治療時間延長。對于VMAT和IMRT的比較，本研究結(jié)果與蔡俊濤等[20]研究的結(jié)果基本一致：與IMRT技術(shù)相比，VMAT降低了肺中高劑量區(qū)的照射體積，但是卻增加了肺低劑量區(qū)的照射體積，而對其他正常組織的照射范圍則基本一致。

4 結(jié)論

無論是伽瑪?shù)哆€是基于LA的VMAT和IMRT都能滿足SBRT的需求，在使用中各有優(yōu)勢，伽瑪?shù)秾Ψ蝺?nèi)較小孤立腫瘤劑量學(xué)優(yōu)勢明顯，并且能更好的保護(hù)正常肺組織。但是隨著伽瑪?shù)斗派湓吹乃p，治療時長會逐漸增加。相比于IMRT和VMAT的快速治療，伽瑪?shù)对谥委熯^程中的位置精度增加了更多的不確定性。而對形態(tài)不規(guī)則的腫瘤，VMAT和IMRT在計劃設(shè)計的精細(xì)程度是伽瑪?shù)稛o法比擬的。